一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路制造技术

本发明专利技术涉及一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路，包括逻辑控制模块、故障监测模块、光纤接口和电源模块；逻辑控制模块包括：逻辑控制电路和门极功率放大电路；故障监测模块包括故障检测电路和信号处理电路；本发明专利技术将状态监测等功能集成到IGBT驱动电路中能够在第一时间内获取IGBT的工作状态，由若干比较器构成的多级检测能够实现IGBT的故障识别与状态监测，并对退化失效提前做出判断与警报，避免因IGBT模块退化失效导致系统瘫痪，与离线测试与准在线测试相比，操作方便且成本较低；通过逻辑控制芯片对累计短路故障次数进行记录输出，并实现芯片掉电数据不丢失，为IGBT全寿命周期内的剩余寿命预测与健康管理提供研究基础。

An IGBT driving circuit with condition monitoring and fault recording functions

【技术实现步骤摘要】
一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路
本专利技术涉及IGBT驱动电路故障监测技术，具体涉及一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路。
技术介绍
电力电子器件与电力电子技术的发展相辅相成。目前，功率器件已经成为工业应用中不可缺少的器件，在能量转换与电力电子装置中起着关键作用。绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为最具代表性的功率器件，结合了MOSFET与GTR的优点，具有开关频率高、控制方便、输入阻抗高、高耐压，损耗小等优点。作为系统核心部件，IGBT广泛应用于多电平逆变器、高压直流输电、风电变流器及光伏逆变器等中大功率电力电子系统中。。伴随着功率器件新结构及新工艺的发展，IGBT的功率等级、功率密度、开关频率也在不断提高，其电压范围为600V～6500V，电流范围为1A～4500A，主要应用在1～100kHz的频率范围内。此外，目前的主流大功率IGBT普遍采用硅(Si)材料，但由于材料限制，IGBT的器件性能已经接近理论极限，所以，碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等新型材料的研究应用成为必然趋势。IGBT驱动技术伴随着IGBT器件的发展而发展。由于IGBT成为各种变换器的首选功率器件，所以如何安全可靠地驱动其进行工作，也成为了国内外学者们的研究热点。驱动电路主要功能是将控制信号进行隔离传输和功率放大。此外，由于IGBT工作环境的要求，其还需提供完善的保护功能，主要包括：短路保护、过压保护、电源欠压保护以及过温保护等。当系统发生短路、过压、过温等故障时，能够及时准确检测故障并安全迅速关断IGBT，以确保电力系统的安全运行，其中短路检测保护功能尤为重要。目前，国内外的CONCEPT、赛米控、飞仕得、青铜剑等公司已经推出了功能较为完善的产品。随着应用要求的不断提高，将来不仅要求IGBT驱动电路有驱动与保护功能，同时应该具有对IGBT模块的实时状态监测与故障识别功能，能够有效对IGBT模块的故障失效进行预警，提高模块使用的可靠性和安全性，延长器件的使用寿命。然而，如图1所示[1]，功率器件也是变流系统中失效率最高的部件，约占30％，随后依次为PCB电路板故障、电容故障、焊接部位故障等。引起IGBT失效的原因可分为三种，第一种是本身加工制造、工艺缺陷或内部材料及设计缺陷引起失效，第二种是外部应力(如热应力、电应力、机械应力、辐射应力等)引起失效，第三种是电路其他部分如控制驱动电路、滤波电路等引起失效。在实际应用中，由于功率变流器长时间工作运行，无论是在故障工况还是正常工况下，IGBT模块最终都会在外部应力的作用下发生退化并最终失效。在IGBT的全寿命周期中，由于损伤不断积累，其性能参数也在不断下降，从而导致系统的功能逐渐退化，最终导致系统故障甚至停机，带来巨大的人力、物力损失。目前，大量研究表明IGBT模块的性能退化或失效会导致其参数发生改变，即IGBT模块的退化失效与状态参数之间有相当紧密的关系。如图2所示[2]，当IGBT模块发生老化时，其等效寄生电阻会增大，从而导致在相同集电极电流下的模块饱和导通压降Vce(sat)会逐渐增大。因此，通过监测能代表其健康状态的状态参数，实时提取老化信息，为IGBT模块的寿命预测与健康管理提供依据，以便提前进行故障预警和更换维修。目前，IGBT模块的退化失效与部分状态参数的对应变化量如表1所示。此外，集电极电流变化率dic/dt，开通延迟时间tdon等状态参数也会发生相应改变。表1IGBT失效所对应的状态参数变化量目前，现有IGBT状态监测技术需采用离线测试或准在线测试。离线测试不能实现故障的实时警报；准在线检测需要在功率变流器的基础上额外增加测量电路，提高了系统成本。因此，亟需一种快速准确的IGBT状态监测方法，能够实时检测、有效识别故障，并能够记录IGBT发生短路故障的次数，为IGBT的剩余寿命预测提供研究基础。综上所述，驱动电路作为功率回路与控制回路之间的桥梁，直接影响着IGBT的正常可靠工作与系统的安全稳定运行。当出现过流、过压等故障时，需要驱动电路通过Vce、dic/dt等状态参数及时有效地检测、识别故障并保护IGBT。可以看出，驱动电路能够在第一时间内获取IGBT模块所处的工作状态。若选取相应的状态参数，当IGBT发生过流、过压等故障时，将其作为判断依据；当处于正常工况时，通过其实现状态监测，从而使得状态监测、故障识别等功能集成到传统IGBT驱动电路成为可能。目前，IGBT驱动电路状态监测功能的研究较少。现有技术一的技术方案器件投入使用之前，在一定条件下对IGBT模块进行离线测试，测量Vce、Vge与Tj等相应状态参数并标记初始值，待器件投入使用后，定期测量IGBT模块的状态参数并将测量值与初始值进行比较，从而对其健康状态及可靠性进行评估判断。现有技术一的缺点该检测方法不能实现故障的实时检测与提前警报，从而无法减少因系统故障而产生的损失。同时，离线测试需额外搭建测试平台，加大投资，成本较高。现有技术二的技术方案对IGBT模块进行准在线测试，利用小电流下的集射极饱和压降Vce(sat)实现故障监测。在变流系统中添加能独立输出的电流源，当变流器停机时，在IGBT饱和导通的条件下注入100mA小电流，测量IGBT模块的饱和压降，从而对其健康水平进行评估。现有技术二的缺点该方法需要在变流器中添加辅助电源以及测试电路，增加了变流器的投资成本。而且，该方法只能在特定的变流器工况下，才能对IGBT的退化状态进行评估，在实际工程应用中存在一定的局限性。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路，解决了如下问题：(1)、将状态监测与故障识别功能集成到驱动电路中，实现实时状态监测，有效对IGBT模块的故障失效进行提前警报，从而提高系统可靠性与安全性，减少维修成本；(2)、利用逻辑控制芯片记录并输出IGBT发生短路故障的次数，为IGBT的寿命预测与健康管理提供研究基础，延长使用寿命。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路，包括：逻辑控制模块、故障监测模块、光纤接口和电源模块；所述逻辑控制模块包括：逻辑控制电路和门极功率放大电路，逻辑控制电路包括：逻辑控制芯片；所述故障监测模块包括：故障检测电路和信号处理电路；所述电源模块为DC/DC电源模块，用于为逻辑控制模块、故障监测模块及光纤接口提供工作电源，并实现控制电路与功率回路之间的高压隔离；所述门极功率放大电路与IGBT模块的门极g和辅助发射极e相接，逻辑控制电路分别与信号处理电路和光纤接口相接；所述光纤接口用于将PWM光信号转换为相应的电信号并传输给逻辑控制芯片，并在IGBT出现故障时将不同故障类型的反馈信号转化为相应的光信号并发出故障告警信息；当IGBT处于正常工况时，光纤接口还用于将逻辑控制芯片内的累计短路故障次数进行显示输出；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路，其特征在于，包括：逻辑控制模块、故障监测模块、光纤接口和电源模块；所述逻辑控制模块包括：逻辑控制电路和门极功率放大电路，逻辑控制电路包括：逻辑控制芯片；所述故障监测模块包括：故障检测电路和信号处理电路；/n所述电源模块为DC/DC电源模块，用于为逻辑控制模块、故障监测模块及光纤接口提供工作电源，并实现控制电路与功率回路之间的高压隔离；/n所述门极功率放大电路与IGBT模块的门极g和辅助发射极e相接，逻辑控制电路分别与信号处理电路和光纤接口相接；/n所述光纤接口用于将PWM光信号转换为相应的电信号并传输给逻辑控制芯片，并在IGBT出现故障时将不同故障类型的反馈信号转化为相应的光信号并发出故障告警信息；/n当IGBT处于正常工况时，光纤接口还用于将逻辑控制芯片内的累计短路故障次数进行显示输出；/n所述故障检测电路与IGBT模块的门极g、辅助集电极c和功率发射极E相接，用于检测IGBT模块在开通过程中的集射极电压V

【技术特征摘要】
1.一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路，其特征在于，包括：逻辑控制模块、故障监测模块、光纤接口和电源模块；所述逻辑控制模块包括：逻辑控制电路和门极功率放大电路，逻辑控制电路包括：逻辑控制芯片；所述故障监测模块包括：故障检测电路和信号处理电路；
所述电源模块为DC/DC电源模块，用于为逻辑控制模块、故障监测模块及光纤接口提供工作电源，并实现控制电路与功率回路之间的高压隔离；
所述门极功率放大电路与IGBT模块的门极g和辅助发射极e相接，逻辑控制电路分别与信号处理电路和光纤接口相接；
所述光纤接口用于将PWM光信号转换为相应的电信号并传输给逻辑控制芯片，并在IGBT出现故障时将不同故障类型的反馈信号转化为相应的光信号并发出故障告警信息；
当IGBT处于正常工况时，光纤接口还用于将逻辑控制芯片内的累计短路故障次数进行显示输出；
所述故障检测电路与IGBT模块的门极g、辅助集电极c和功率发射极E相接，用于检测IGBT模块在开通过程中的集射极电压Vce、集电极电流Ic、集电极电流变化率dic/dt、门极电压Vge、门极电流Ig和结温Tj等状态参数；并将检测信号传送给信号处理电路，
所述信号处理电路用于接收检...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄先进，孙湖，李艳，刘宜鑫，李鑫，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11